JPS618203A - 非円形輪郭を形成する工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、工具に非円形輪郭を描かせ得るようにした工
作機械に関するもので、特に、回転される工作物を旋削
あるいは研削して非円形断面を有する製品を加工する、
旋盤あるいは研削盤等のような工作機械に関するもので
ある。

（従来の技術） 機械加工を要求される物品は１円形断面のものに限らず
、例えばカムシャフトやロータリエンジンのロータ等の
ように、非円形断面に加工することが求められるものも
多い。また、軸継手等においても、その軸自体が非円形
断面に加工されれば、信頼性の高いものとすることがで
きる。

このような非円形断面を有する物品を加工するには、工
具を工作物の軸方向に移動させるフライス盤等を用いる
ことが考えられるが、その工作物の目標加工横断面輪郭
が滑らかな閉曲線であるような場合には、そのようなフ
ライス盤等による加工では能率が悪いばかりでなく、加
工精度も低い、そこで、従来は、そのような場合には、
回転される工作物に対する切削工具の位置を倣いモデル
によって制御する油圧倣い旋盤等を用いるのが普通であ
った。しかしながら、このような油圧倣い旋盤では、求
められる製品の形状ごとに倣いモデルを製作する必要が
あり、製品の多様化に適するものとは言えなかった。

このような問題に対処するためには、回転される工作物
に対する工具の位置を数値制御（以下、ＮＣという）に
よって制御することのできるＮＣ工作機械を用いること
が考えられる。ＮＣ工作機械においては、理論上は、プ
ログラムあるいはデータを変更するだけで、工作物を任
意の形状に加工することができる０例えば、主軸の回転
角度に応じて、主軸の回転軸線、すなわち工作物の回転
軸線に垂直な万両（以下、Ｙ軸方向という）の工具の位
置を制御するようにすれば、非円形断面の物品であって
も加工可能となる。

ところで、このように工具の位置を制御するためには、
切削抵抗に打ち勝つパワーと高速応答性とを有する位置
決め機構を用いる必要がある。そのような工具の位置決
め機構としては、制御装置からの工具位置指令値により
制御されるサーボ弁と、そのサーボ弁により油圧が制御
される油圧シリンダとからなる電気油圧サーボ機構が適
している。しかしながら、このような位置決めサーボ系
においては、一般に、入力の周波数が高くなると、位相
の遅れと振幅の減少がみられるようになる。そのために
、非円形断面を有する物品を加工しようとする場合、主
軸の回転速度を大きなものとすると、その工具のＹ軸方
向の位置に位相の遅れや振幅の減少が表れて、正確な輪
郭を形成することができなくなる。このようなことから
、従来のＮＣ工作機械においては、主軸の回転数を数回
転／分程度より小さくしない限り、非円形断面の物品を
加工することは困難であり、そのような低回転のために
、良好な仕上げ面及び加工能率を確保することは難しい
ものとなっていた。

本発明者は、このような事情に鑑みて、工具の位置決め
を行うサーボ系の中に、その電気油圧サーボ機構の伝達
関数とは逆の伝達特性を有する要素を組み込み、それに
よって位相の遅れや利得の減少を補償するようにしたＮ
Ｃ工作機械を提案した（特願昭５８−５３９０５号）、
このような逆伝達関数補償システムを用いれば、いかな
る周波数成分に対しても位相遅れや振幅の遅れを伴うこ
とのないサーボ系を得ることができるので、高速回転下
での非円形断面の加工が可能となる。ところで、このよ
うな逆伝達関数を求めるためには、その補償対象となる
電気油圧サーボ機構の伝達関数の時定数やゲイン等を同
定する必要がある。その場合、一般にその伝達関数は高
次の分数関数となるので、実用上はその近似式が用いら
れる。そのために、通常、そのサーボ系の逆伝達関数に
は、わずかながら誤差が存在している。また、そのよう
な電気油圧サーボ機構は高速で作動するので、工作機械
の運転時には作動油が相当の高温となり、その特性が変
化する。さらに、工作物の材質の不均一性あるいは形状
や工具による切り込み量の差などにより、切削抵抗も変
動する。これらの影響が積み重なると、遅れの補償を施
した場合にも、目標の形状と実際の加工製品との間に数
１０終腸の寸法誤差が生じることがある。

（発明の目的） 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、その主な目的は、より高精度の非円形断面を有する
物品を加工することのできるＮＣ工作機械を得ることで
ある。

本発明の他の［１的は、工具の位置決めを行うサーボ機
構が異なる伝達関数を有するものであっても、その制御
装置のメモリ内のデータあるいはプログラム等を変更す
る必要がなく、各種の工作機械に適用することができる
ようにすることである。

（目的を達成するための手段） この目的を達成するために、本発明では、非円形輪郭の
加工が求められる製品においては、通常、その加工部分
の断面形状が急変することはなく、その加工のための工
具の位置は、主軸の１回転ごとにほぼ同様に制御されれ
ばよいことに着目して、主軸の前回転までの偏差の情報
を用いて入力を修正するようにしている。

これを、図面に基づいてより詳細に説明する。

第２図に示されているような非円形断面を有する物品は
、その物品の中心軸線からの距離をｒ、中心軸線を含む
基準平面Ｉからの角度なＯ１中心軸線に垂直な基準平面
■からの距離をＸとすると、その輪郭は、円柱座標を用
いて、ｒ＝ｆ（（７，ｘ） と表される。このような物品を旋削するには、その切削
工具を、その物品の中心軸線、すなわち旋盤の主軸の回
転軸線Ｏに平行な方向（以下、Ｘ軸方向という）に一定
の低速度で送るとともに、主軸の回転軸線Ｏに垂直な方
向、すなわちＹ軸方向には、回転軸線０から工具の刃先
までの距離ｙが、 ｙ＝ｆ（θ、ｘ） となるように、工具の位置を制御すればよい。

ところで、この場合、旋盤の主軸を１回転させるごとに
、工具のＸ軸方向の位置は、Ｘ　からＸ＋ΔＸ　まで進
められることになるが、一般にΔＸは微小であるので、 ｒ＝ｆ（θ、ｘ）と ｒ＝ｆ　（θ、Ｘ＋ΔＸ）　とはほとんど変化しない、
すなわち、Ｘ軸方向の微小範囲でみる限り、物品の目標
断面形状が一定の場合と同様に取り扱うことができる。

物品の目標断面形状が一定の場合には。

ｒ＝ｆ　（θ、ｘ）＝ｆ（θ、ｘ＋ΔＸ）＝ｆ（θ） となる、そして、工具の位置がＸ軸方向に微小量ΔＸだ
け進んだとしても、基準平面からの角度θが等しい位置
においては、その切削抵抗等の切削条件にもほとんど差
は生じない。したがって、主軸の１回転ごとに、はとん
ど同一の切削条件下で同一の工具位置制御を行えばよい
ことになる。すなわち、Ｘ軸方向の微小範囲でみれば、
工具をＹ軸方向に位置決めするための制御入力Ｕは、第
３図に示すように主軸１回転ごとの周期関数となる。

以下では、目標形状が、Ｘ軸方向には変化のないものと
して説明するが、その形状が緩やかに変化するものであ
る限り、同様に取り扱うことができることは明らかであ
ろう。

ここで、この目標形状　ｒ＝ｆ　（θ）を得るために工
具の位置制御を行うサーボ系へ入力される指令データを
　Ｕ（θ）とする。また、その指令データ　Ｕ（θ）に
よって移動される実際の工具のＹ軸方向の位置、すなわ
ち、主軸の回転軸線０から工具の刃先までの距離をｙ（
θ）とする。そして、偏差、すなわちｆ（θ）と　ｙ（
θ）との差を　ｅ（θ）とする。このようにしたとき、
ｅ（θ）＝０　となるように制御することができればよ
いのであるが、実際には厳密に　ｅ（θ）＝０　とする
ことが難しいので、ｅ（θ）ができるだけ０に近づくよ
うにする。

この制御を行うためのブロック図を第１図に示す。この
図から明らかなように、回転角度検出器ｌによって、工
作物Ｗの基準平面■からの回転角度θがその１回転ごと
に検出され、工具位置検出器２によって、工作物Ｗの回
転軸線０から工具３の刃先までの距離ｙが検出されるよ
うになっている。この工具３は、サーボ機構４により、
工作物Ｗの回転角度θに応じてＹ軸方向の位置が変えら
れるようになっており、したがって、工具位置検出器２
からは、θの関数としての位置信号　ｙ（θ）が出力さ
れる。一方、工作物Ｗの目標輪郭を表す各回転角度θご
との回転軸線Ｏからの距離データ　ｆ（θ）は、予め記
憶装置ｔｓ内に格納されており、そのデータ　ｆ（θ）
は、随時読み出されて演算装置６に導かれるようになっ
ている。この演算装置６においては、そのデータ　ｆ（
θ）と工具位置検出器２からの工具位置信号　ｙ（θ）
との偏差　ｅ　（０）　＝ｆ　（θ）−ｙ（θ）　が演
算される。さらに、サーボ機構４に工具位置指令信号を
入力する工具位置指令信号発生装置７が設けられている
。この指令信号発生装置７は、ランダムアクセスメモリ
の機能と演算機能とを備えているもので、予め工具位置
指令データ　Ｕ（θ）が格納されており、工作物Ｗの回
転角度θに応じてそのデータ　Ｕ（θ）が工具位置指令
信号としてサーボ機構４に入力されるとともに、そのデ
ータ　Ｕ（θ）に演算装置６から出力された偏差　ｅ（
θ）が加えられ、その和がその回転角度θにおける新た
な工具位置指令データ　Ｕ（θ）として格納されるよう
になっている。

（作用） 次に、このような制御装置を備えたＮＣ工作機械の作用
について説明する。

工具位置指令信号発生袋Ｎ７には、予め工作物Ｗの目標
輪郭形状　ｒ＝ｆ（θ）　に近い形状が形成されるよう
に定められた工具位置指令データ　Ｕ（θ）が格納され
ている。本発明による補正が開始される工作物Ｗの１回
目の回転時には、工作物Ｗの回転角度０に対してｕｔ（
０）−〇（θ） が、サーボ機構４に入力される。それによって工具３の
刃先の位置が、Ｙｔ　　（θ）まで移動する。その工具
３の位置は工具位置検出器２によって検出され、その位
置信号　Ｖｔ　　（θ）が演算装置６に導かれる。一方
、工作物Ｗの回転角度θに応じて、目標輪郭形状のデー
タｆ（θ）　が記憶装置５から読み出され、そのデータ
　ｆ（θ）が演算装置６に導かれる。演算装置６におい
てはそれらの偏差 ｅｓ　　（θ）＝ｆ（θ）ｙｔ（θ） が演算され、その偏差　ｅｌ　（θ）が工具位置指令信
号発生装置７に導かれる。そして、この指令信号発生装
置７においては、１回目の回転時における工具位置指令
データ　ｕｌ　（θ）と演算装Ｈ６から出力された偏差
　ｅｌ　（θ）とが加えられ、 ｕ２　（θ）＝ｕｔ（θ）＋ｅｔ（θ）が新たな工具位
置指令データとして記憶される。すなわち、ｕｓ　　（
θ）が　ｕ２　（θ）に書き換えられる。

工作物Ｗの２回目の回転時には、この指令データ　ｕ２
　（０）がサーボ機構４に入力される。それによって工
具３の位置が　７２　　（θ）に制御され、偏差 ｅｚ　　（θ）＝　ｆ　（θ）１２（θ）が演算される
。そして、工具位置指令データがｕａ　　（θ）−ｕ２
　（θ）＋６２　（θ）に書き換えられる。

このような補正を順次繰り返していくと、工作物Ｗのｎ
回目の回転時における工具位置指令データ　ｕ、（θ）
が、 Ｕ　　（θ）にｕ　ｎ−１（θ）＋ｅ、−，（θ）＝ｕ
（θ）＋ｅｔ（θ）＋８２（θ） となる。

このようにすると、工作物Ｗの１回転ごとに、前の回転
で生じた偏差を減するように補正された指令データを得
ることができ、偏差ｅｎ（θ）は急速に０に収束する。

（実施例） 次に、第４図に基づいて１本発明をＮＣ旋盤に適用した
一実施例を説明する。

図から明らかなように、この旋盤ｌＯのベース１１上に
は、工具台１２が、主軸１３の回転軸線０に平行なＸ軸
方向に摺動自在に支持されている。この工具台１２は、
ベース１１に回転自在に支持された送りねじ１４に係合
しており、この送りねじ１４は、発振器１５によって駆
動されるステップモータ１６により、一定の速度で回転
され、それによって工具台１２が一定の低速度でＸ軸方
向に移動されるようになっている。工具台１２の上面に
は、切削工具１７が、主軸１３の回転軸線０に垂直なＹ
軸方向に往復動自在に支持されている。この工具１７の
Ｙ軸方向の位置は、電気油圧サーボ機構１８によって制
御されるようになっている。この電気油圧サーボ機構１
８は、第１図のサーボ機構４に相当するもので、コンピ
ュータ１９からの指令信号によって切り換え制御される
サーボ弁２０により、油圧源２１から油圧シリンダ２２
に導入される作動油圧が制御され、その油圧シリンダ２
２の作動ロッド２２ａの端部に連結された工具１７の位
置決めを行うようになっている。油圧シリンダ２２の作
動ロッド２２ａには、差動トランス等の変位計２３が取
り付けられており、その変位計２３によって油圧シリン
ダ２２の変位量、したがって工具１７のＹ軸方向の変位
量が検出されるようになっている。すなわち、この変位
計２３は、第１図の工具位置検出器２に相当するもので
ある。

旋盤ｌＯの主軸１３には、１回転につき１０００〜２０
００個程度のパルスを発生することのできるロータリエ
ンコーダ２４が取り付けられている。このパルスは一定
角度ごとに発生されるので、このパルス数をカウントす
ることによって、主軸１３、したがって主軸１３ととも
に回転される工作物Ｗの回転角度θを検出することがで
きる。すなわち、このエンコーダ２４が、＄１図の回転
角度検出器ｌに相当するものとなっている。

このエンコーダ２４から発生されるパルスは、コンピュ
ータ１９に導かれるようになっている。コンピュータ１
９は、第１図の記憶装置５、演算装置６、及び工具位置
指令信号発生装置７に相当するものであって、エンコー
ダ２４からパルスを受けるごとに、順次メモリを呼び出
し、演算し、メモリを書き換えることを繰り返すように
なっている。コンピュータ１９からの出力信号は、Ｄ／
Ａ変換器２５によりアナログ量に変換され、サーボ増幅
器２６を介して電気油圧サーボ機構１８に、工具位置指
令信号として導かれるようになっている。

このようなＮＣ旋１ｉ１０において、エンコーダ２４が
１回転にっきＮ＠のパルスを発生するものとして、コン
ピュータ１９による処理について説明すると、コンピュ
ータ１９のメモリには、予め工作物Ｗの目標輪郭を表す
データｆ（θ）を。

回転角度θが、０　から　Δθ＝２π／Ｎ　増すごとの
値 ｆ（Δθ）、ｆ（２Δθ）、・・・。

ｆ（ｋΔθ）、・・・、ｆ（２π） として格納しておく、また、Ｎ個の工具位置指令データ Ｕ（Δθ）、ｕ（２Δθ）、・・・。

ｕ（ｋΔθ）Ｉ・・・、ｕ（２π） を格納するメモリを確保しておく。

ここで、いま、工作物Ｗがｎ回転目の途中にあり、エン
コーダ２４からに番目のパルスを受は取ったとすると、
コンピュータ１９は、ｎ−１回転目の処理によって記憶
されている工具位置指令データ　Ｕ。（ｋΔθ）を直ち
に出力し、Ｄ／Ａ変換器２５によりアナログ量に変換し
て、電気油圧サーボ機構１８の入力とする。

同時に偏差 ｅ　ｎ　　（ｋΔθ）＝ｆ（ｋΔθ） −ｙ、（ｋΔθ） を算出し、ｕ、（ｋΔθ）にこれを加え、その結果を、
ｎ＋１回転目のに番目のパルスを受けたときに出力する
工具位置指令データ ｕ１．ｌ＋、（ｋΔθ）として、メモリに格納する。す
なわち、メモリ内のデータ　ｕ　　（ｋΔθ）をｕ　　
（ｋΔθ）に書き換える。

ｎ＋１ このようにして、コンピュータ１９内の工具位置指令デ
ータ　Ｕ（θ）は、エンコーダ２４からのパルスを受け
るたびに新たなデータに書き換えられ、偏差　ｅ（θ）
が減らされた新たなデータ　Ｕ（θ）によって、電気油
圧サーボ機構１８が高精度で制御されることになる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、工作
物が１回転されるごとに、そのときの工具位置指令デー
タを補正し、その補正された指令データによって工作物
の次の回転時における工具の位置を制御するようにして
いるので、横断面輪郭形状が一定のものはもちろんのこ
と、その形状が緩やかに変化するものであっても、高精
度の非円形断面に加工することができる。段差などを有
し、横断面形状が、ある位置で大きく変化するものの場
合には、その段差部の前後で別個に加工するようにすれ
ば、その加工も可能となる。

そして、本発明による制御手段では、サーボ機構等の特
性に左右されることもないので、異なる伝達関数のサー
ボ機構を有するＮＣ工作機械にも、容易に適用すること
ができる。その場合には、１回転目の工具位置指令デー
タとしては、目標形状のデータをそのまま使用すればよ
い。ただし、その指令データとしてサーボ機構の逆伝達
関数を加味したものを用いた方が、１回目の回転時にお
ける偏差は小さく抑えることができる。

また、本発明は、主軸が低回転をする工作機械に用いた
場合にも、切削抵抗等の影響を排除することができるな
どの効果を得ることができる。

なお、本発明による工作機械は、工作物の外周面を加工
するものに限らず、筒状工作物の内周面を加工するもの
にも適用することができる。また、旋盤や研削盤のほか
、回転板上に非円形輪郭の図を描かせる描画装置等にも
適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による工作機械の基本的出力を示すブ
ロック図、 第２図は、その工作機械によって加工される非円形断面
を有する物品の説明図、 第３図は、その工作機械に求められる制御入力と工作物
の回転角度との関係を示す グラフ。 第４図は、本発明の一実施例としてのＮＣ旋盤を示す平
面図である。 ｌ・・・回転角度検出器　　２・・・工具位置検出器３
・・・工具　　　　　　　４・・・サーボ機構５・・・
記憶装置　　　　　６・・・演算装置７・・・工具位置
指令信号発生装置 １０・・・ＮＣ旋盤　　　　１２・・・工具台１７・・
・切削工具 ！８・・・電気油圧サーボ機構 １９・・・コンピュータ　　２３．・・・変位計２４・
・・エンコーダ ０・・・回転軸！Ｉ　　　　　Ｗ・・・工作物θ・・・
回転角度

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 連続して回転される工作物Ｗに対して、その回転軸線Ｏ
   に垂直な方向に移動可能に支持された工具３と、 その工具３の前記回転軸線Ｏからの距離を、工具位置指
   令信号に基づいて制御するサーボ機構４と、 を有する数値制御工作機械において； 前記工作物Ｗの回転角度θを検出する回転角度検出器１
   と、 前記工具３の前記回転軸線Ｏからの距離ｙを検出する工
   具位置検出器２と、 前記工作物Ｗの目標輪郭を表す各回転角度θごとの前記
   回転軸線Ｏからの距離データ ｆ（θ）が予め格納された記憶装置５と、 前記回転角度検出器１により検出される各回転角度θに
   おいて、その記憶装置５から読み出されるデータｆ（θ
   ）と前記工具位置検出器２から出力される位置信号ｙ（
   θ）との偏差 ｅ（θ）を演算する演算装置６と、 各回転角度θに対応して記憶された工具位置指令データ
   ｕ（θ）を、前記サーボ機構４に工具位置指令信号とし
   て入力するとともに、そのデータｕ（θ）と前記偏差ｅ
   （θ）との和が新たな工具位置指令データｕ（θ）とし
   て記憶される工具位置指令信号発生装置７と、 を備えていることを特徴とする、非円形輪郭を形成する
   工作機械。